KR101466703B1 - Wideband tunable vertical-cavity surface-emitting laser - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광대역 파장조절 표면방출 레이저에 관한 것으로, 상세히는 넓은 파장 영역의 발진 파장 조절이 가능하도록 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부 거울층으로 구성하고, 전압에 의한 상부 거울층과 활성층 사이의 공진 거리를 조절하여 발진 파장을 조절할 수 있도록 한 광대역 파장조절 표면방출 레이저 소자에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
표면방출 레이저는 단/중거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서, 광통신 등에 활용이 빠르게 증가하고 있다. 특히, 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 저전력의 광원 효율(low electrical power consumption), 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리 잡을 것으로 예상된다. Surface emitting lasers are used as light sources for short / medium distance communication, and their use in optical connection, optical sensor and optical communication is increasing rapidly. In particular, the high fiber-coupling efficiency of a surface emitting laser, low unit cost due to wafer-based fabrication processes, low mounting cost, low electrical power consumption, a two-dimensional array array characteristics, it is expected to quickly become a light source for next generation optical communication and signal processing.
최근에 와서는 대용량 데이터 처리 및 전송을 위하여 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex), DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex) 등 여러 파장의 광원을 사용한 광연결 및 광통신의 필요성이 증가하고 있다. 하나의 파장을 이용한 광원을 사용하는 경우 용량을 늘리기 위하여서는 광연결 및 광통신 광원의 변조 속도를 높이는 방법을 사용하여야 하나, 이 경우 속도를 향상시키는데 한계가 있고 속도 증가에 따른 연결 및 전송 거리가 줄어드는 단점이 있다. Recently, there is an increasing need for optical connection and optical communication using light sources of various wavelengths such as CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex) and DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) for large data processing and transmission. If a light source using one wavelength is used, a method of increasing the modulation speed of the optical connection and the optical communication light source should be used in order to increase the capacity. However, in this case, there is a limit to improve the speed and the connection and transmission distance There are disadvantages.
따라서 여러 파장의 광연결 및 광통신을 사용하는 경우 각 파장의 전송 속도와 채널의 증가를 통한 용량 증가가 가능하여 장거리에 대용량 신호의 전송 및 처리가 가능하게 된다. 그러나 여러 파장을 이용한 광연결 및 광통신을 위해서는 각각의 파장 특성을 갖는 개별 광원을 제작하여 적용하여야 하므로 각각의 파장을 갖는 광원 제작의 어려움과 가격 상승 및 교체 등의 어려움이 있다.Therefore, when optical connection and optical communication of various wavelengths are used, it is possible to increase the transmission rate of each wavelength and the capacity by increasing the channel, thereby enabling transmission and processing of a large capacity signal over a long distance. However, since an individual light source having respective wavelength characteristics must be manufactured and applied for optical connection and optical communication using various wavelengths, it is difficult to manufacture a light source having respective wavelengths, and it is difficult to raise or replace the light source.
또한, 전체적 네트워크의 구성에 있어서도 파장이 고정되므로 유연성 있는 네트워크가 형성되지 않는 단점이 있다.In addition, since the wavelength is fixed in the configuration of the whole network, there is a disadvantage that a flexible network is not formed.
이와 같은 단점을 보완하기 위해서는 하나의 광원으로 파장 조절이 가능하게 하여 다양한 파장의 특성을 갖는 광원이 필요하다. In order to overcome such disadvantages, it is necessary to provide a light source having various wavelength characteristics by controlling the wavelength as one light source.
그 외에도 파장 조절의 특성을 사용하여 파장 특성의 소자의 특성 분석, 표면의 결함 등을 검출하기 위한 3차원 스캔 등에 사용이 확대되고 있는데, 이와 같은 응용을 위하여서는 100nm 등의 넓은 광대역의 파장 조절과 중간에 불연속 파장이 없는 계속적인 파장 조절이 필요하다. In addition, the use of wavelength tuning characteristics has been expanding the use of devices such as wavelength-characteristic device analysis and three-dimensional scanning to detect surface defects. For such applications, Continuous wavelength control without discontinuous wavelength is needed in the middle.
이와 같은 특성은 기존의 측면방출 레이저(edge-emitting laser)의 전류에 따른 조절에서는 얻기 어려운 특성으로 본 발명에서는 광대역의 연속 조절이 가능한 파장 조절 표면방출 레이저의 제공하고자 한다. This characteristic is difficult to obtain by adjusting the current of an edge-emitting laser, and therefore, it is desired to provide a wavelength-tunable surface emitting laser capable of continuously controlling a wide band in the present invention.
파장조절 표면방출 레이저는 주로 얇은 상부 거울층과 상부 전류주입층 사이를 부분적으로 식각하여 얇은 공기층을 형성하고, 그 사이에 전압을 인가하여 거울층과 활성층의 공간을 조절하여 공진기 거리를 조절하여 파장을 조절한다. 이와 같이 파장을 조절하는 경우 대역을 결정하는 것은 상부와 하부의 거울층이 갖는 반사율대역(stop band)의 폭과 활성층의 이득의 폭 그리고 공진거리의 조절 폭 등에 의하여 결정된다. 특히, 상부와 하부 거울층의 stop band의 폭이 구성 물질에 따라서 한계를 가지므로 대역폭을 결정하는 주요 특성이다. The wavelength tuning surface emitting laser is mainly formed by forming a thin air layer by partially etching between the thin upper mirror layer and the upper current injection layer and adjusting the space of the mirror layer and the active layer by applying a voltage therebetween, . When the wavelength is controlled, the bandwidth is determined by the width of the stop band of the upper and lower mirror layers, the width of the gain of the active layer, and the adjustment width of the resonance distance. Particularly, the width of the stop band of the upper and lower mirror layers is a main characteristic for determining the bandwidth since it has a limit according to the constituent materials.
종래의 파장조절 표면방출 레이저 방법으로는 GaAs(갈륨비소) 기판의 850nm 대역의 경우 상부 거울은 유전체 거울층 등을 이용하고 하부 거울층은 반도체 DBR(distribution Bragg reflector)를 구성하는 AlxGa1 - xAs/AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1)의 조성인 x와 y의 차이를 최대로 하는 방법이 있다.In the conventional wavelength tuning surface emitting laser, a dielectric mirror layer or the like is used for the 850 nm band of GaAs (GaAs) substrate and a dielectric mirror layer is used for the upper mirror. The lower mirror layer is made of Al x Ga 1 - x As / Al y Ga 1 - y As (0 < x, y < 1).
그러나 이와 같은 조성의 차이를 이용하여 최대로 하는 경우 도달할 수 있는 stop band의 대역폭이 최대 80 nm 정도로 실제로 사용할 수 있는 파장 조절 폭은 약 60nm 정도에 머무는 특성이 있다. 그리고 하부 거울층의 stop band를 넓히기 위하여 하부 거울층의 반도체 DBR를 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 - yAs (0 < x, y < 1)로 구성하고 y의 조성은 1에 가깝게 한 후, AlyGa1 - yAs를 산화막으로 형성하여 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 -yOx (0 < x, y < 1)의 거울층을 사용하는 방법이 있다. 이와 같은 경우의 stop band는 200nm 이상을 얻을 수 있는 장점이 있으나 하부 거울층의 산화막 형성을 위한 공정이 복잡하고, 산화막에 의한 스트레스가 기판 등에 가중되는 단점이 있다.However, using the difference of the composition, the maximum stop band width is 80 nm, and the wavelength tuning width is about 60 nm. In order to widen the stop band of the lower mirror layer, the semiconductor DBR of the lower mirror layer is composed of Al x Ga 1 - x As / Al y Ga 1 - y As (0 < x, y < 1) And a mirror layer of Al x Ga 1 - x As / Al y Ga 1 - y O x (0 < x, y < 1) is used as the Al y Ga 1 - y As, . In such a case, the stop band has an advantage that it can obtain 200 nm or more, but the process for forming the oxide film of the lower mirror layer is complicated and the stress due to the oxide film is weighted on the substrate.
그 외에도 850nm 대역보다 장파장인 1310nm 이상의 대역인 InP(인듐인) 기판의 경우 기판을 제거하고 웨이퍼 본딩 등에 의하여 하부 거울층에 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1-yAs (0 < x, y < 1)로 구성하고, y의 조성은 1에 가깝게 한 후, AlyGa1 - yAs를 산화막으로 형성하여 AlxGa1 - xAs/ AlyGa1 - yOx (0 < x, y < 1)의 거울층을 사용하는 방법이 있다. 이것은 산화막 형성과 더불어서 웨이퍼 본딩 등의 공정이 추가되어 더욱 제작 공정이 복잡한 단점을 보이고 있다.In addition, the lower mirror layer by, for example, when the longer wavelength of 1310nm or more bands of InP (indium phosphide) substrate than the 850nm band, removing the substrate and wafer bonded Al x Ga 1 - x As / Al y Ga 1-y As (0 <x , y < 1), the composition of y is made close to 1, and Al y Ga 1 - y As is formed as an oxide film to form Al x Ga 1 - x As / Al y Ga 1 - y O x (0 < x, y < 1). This is a disadvantage of complicated fabrication process due to addition of processes such as wafer bonding in addition to oxide film formation.
본 발명에서는 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부거울층으로 구성하여 850 ~ 1550 nm의 파장 대역에 적용 가능한 광대역 파장 조절 표면 방출 레이저를 제공하고자 한다.
The present invention provides a broadband wavelength-tunable surface emitting laser applicable to a wavelength band of 850 to 1550 nm by forming a lower mirror layer together with a dielectric mirror layer and a metal mirror layer so as to partially remove a substrate and have a reflectance at a wide wavelength.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기판을 일부 제거하고 넓은 파장에 반사율을 갖도록 유전체 거울층과 금속 거울층을 함께 하부 거울층으로 구성하고, 전압에 의한 상부 거울층과 활성층 사이의 공진 거리를 조절하여 발진 파장을 조절할 수 있도록 하여 다양한 파장 영역에서의 광대역 파장조절 표면방출 레이저를 제공하는 데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a dielectric mirror and a metal mirror layer together as a lower mirror layer so as to partially remove a substrate and have a reflectance at a wide wavelength, To adjust the resonance distance of the laser to adjust the oscillation wavelength, thereby providing a broadband wavelength-tunable surface emitting laser in various wavelength ranges.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부의 거울층과 활성층 사이에 에어갭을 형성하여 상부 거울층과 활성층 사이에 전압으로 조절하여 상부 거울층과 활성층 사이의 거리가 조절되어 공진 거리를 조절할 수 있도록 하고, 기판의 일부를 제거하여 유전체 거울층과 금속 거울로 구성된 하부 거울층을 형성하여 광대역 영역에서 반사율의 스톱 밴드를 형성하여 넓은 파장 대역의 파장 조절이 가능한 광대역 파장조절 표면방출 레이저를 제공한다. According to the present invention, an air gap is formed between an upper mirror layer and an active layer, and a voltage between the upper mirror layer and the active layer is adjusted to control a distance between the upper mirror layer and the active layer, And a portion of the substrate is removed to form a lower mirror layer composed of a dielectric mirror layer and a metal mirror to form a stop band of reflectance in a wide band region to provide a broadband wavelength tuning surface emitting laser capable of adjusting a wavelength in a wide wavelength band .
구체적으로 본 발명은 광대역 파장조절 표면방출 레이저 소자에 있어서, 반도체 기판 위에 차례로 적층된 식각저항층과 하부클래드층, 상기 하부클래드층 상에 이득을 위한 이득층, 상기 이득층 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층, 상기 상부클래드층 상에 식각층, 상기 식각층 상에 도핑된 반도체로 구성된 지지층을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층의 일부에 상부 유전체 거울층을 형성하고, 상기 지지층의 다른 상부에 전압인가를 위한 전극을 형성하고, 상기 식각층의 일부를 선택적으로 제거하여 하부클래드층, 이득층, 상부클래드층으로 이루어진 활성층과 지지층 사이에 에어갭을 형성하고, 상기 상부클래드층의 상부에 활성층에 전압 인가를 위한 전극을 형성하고, 기판의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층를 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층의 하부에 금속 거울층을 형성한다. 상부 유전체 거울층과 지지층으로 구성된 상부 거울층과 활성층 그리고 하부 유전체 거울층과 금속 거울층으로 구성된 거울층으로 구성된 하부 거울층이 공진기를 형성하여 레이저 빛이 나오게 되는데, 상부거울층과 활성층 사이에 전압을 인가하여 에어갭의 거리가 조절되고, 상부 거울층과 활성층, 그리고 하부 거울층 사이에 공진 거리가 변하게 되어 발진 파장의 조절이 가능하도록 한다. 광대역 파장 조절을 위하여 상부 유전체 거울층과 지지층으로 이루어진 상부 거울층과 하부 유전체 거울층과 금속 거울층으로 이루어진 하부 거울층은 스톱 밴드가 100nm 이상이 되도록 구성되어 진다. More specifically, the present invention relates to a broadband wavelength tuning surface emitting laser element comprising: an etching resistance layer and a lower cladding layer sequentially stacked on a semiconductor substrate; a gain layer for gain on the lower cladding layer; Forming an upper cladding layer, an etching layer on the upper cladding layer, and a supporting layer composed of a semiconductor doped on the etching layer, sequentially forming an upper dielectric mirror layer on the supporting layer, An electrode for voltage application is formed and a part of the casting layer is selectively removed to form an air gap between the active layer made of the lower clad layer, the gain layer and the upper clad layer and the supporting layer, An electrode for voltage application is formed, a part of the lower part of the substrate is removed, the etching resistant layer is continuously removed A lower dielectric mirror layer is formed, and a metal mirror layer is formed below the lower dielectric mirror layer. A lower mirror layer composed of an upper mirror layer and an upper layer consisting of an upper dielectric mirror layer and a supporting layer, and an active layer and a mirror layer composed of a lower dielectric mirror layer and a metal mirror layer form a resonator to emit laser light. The distance of the air gap is controlled, and the resonance distance is changed between the upper mirror layer, the active layer, and the lower mirror layer, so that the oscillation wavelength can be adjusted. An upper mirror layer composed of an upper dielectric mirror layer and a supporting layer, and a lower mirror layer composed of a lower dielectric mirror layer and a metal mirror layer are configured to have a stop band of 100 nm or more for adjusting a broadband wavelength.
바람직한 실시 예에서 상부와 하부의 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성한다. 그리고 금속 거울층은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성한다.
In a preferred embodiment, the upper and lower dielectric mirror layers are made of a material having a large dielectric constant such as SiOx / SiNx, SiOx / TiOx, CaF2 / a-Si, CaF2 / ZnS, The length divided by the refractive index) is made to be two to seven cycles in one cycle. The metal mirror layer is formed by depositing a metal such as Au, Al, or Ag.
본 발명의 광대역 파장조절 표면방출 레이저는 넓은 스톱 밴드를 갖는 유전체 거울층을 상부와 하부 거울층에 형성하고 상부 거울층과 활성층 사이에 형성된 에어갭을 이용하여 공진거리 조절을 통한 광대역의 발진 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 표면방출 레이저에 관한 것으로, 모든 파장 영역에서 광대역 파장 조절 표면방출 레이저 소자 제작 방법으로 활용될 수 있다.
The broadband wavelength-tuned surface emitting laser of the present invention is formed by forming a dielectric mirror layer having a wide stop band on the upper and lower mirror layers and using an air gap formed between the upper mirror layer and the active layer, The present invention relates to a surface emitting laser, and more particularly, to a method of fabricating a broadband wavelength tunable surface emitting laser device in all wavelength regions.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 단면구조,
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 다른 실시 예에 의한 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 단면구조와 상부 구조를 보인 것이고,
도 4는 본 발명의 광대역 파장조절 표면방출 레이저의 하부 거울층의 스톱 밴드(stop band) 특성을 보인 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a broadband wavelength-tunable surface emitting laser according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 and FIG. 3 each show a cross-sectional structure and an upper structure of a broadband wavelength-tunable surface emitting laser according to another embodiment of the present invention,
4 is a graph showing the stop band characteristics of the lower mirror layer of the broadband wavelength-tunable surface emitting laser of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. do.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 부호 21은 반도체기판, 22는 반도체로 구성된 식각저항층, 23은 반도체로 구성된 하부클래드층, 24는 이득을 주기 위한 다층 양자 우물로 이루어진 이득층, 25는 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층, 26은 반도체로 구성된 식각층, 27은 반도체로 구성된 지지층, 28은 전압 구동을 위한 상부전극, 29는 전압구동을 위한 상부거울전극, 30은 상부 거울층을 구성하기 위한 상부 유전체 거울층, 31은 하부 거울층을 구성하기 위한 하부 유전체 거울층, 32는 하부 거울층을 구성하기 위한 하부 금속 거울층, 33은 공진 거리 조절을 위한 에어갭을 나타낸다. 1 shows a cross-sectional view of a broadband wavelength tunable surface emitting laser structure according to a preferred embodiment of the present invention. In the figure,
본 실시 예에서는 상부거울전극(29)과 상부전극(28) 사이에 전압을 인가하여 에어갭(33)의 거리를 조절하고, 이득층(24)에서 생성된 빛이 상부 유전체 거울층(30), 지지층(27), 에어갭(33), 상부클래드층(25), 이득층(24), 하부클래드층(23), 하부 유전체 거울층(31), 금속 거울층(32)을 통하여 공진하여 레이저 빛을 방출하게 된다. In this embodiment, a voltage is applied between the
이때, 에어갭(33)의 거리에 따라서 공진거리가 변하게 되어 발진 파장이 조절되게 된다. 파장의 조절 대역은 상부 유전체 거울층(30)과 하부 유전체 거울층(31) 및 금속 거울층(32)의 스톱 밴드(stop band)에 의하여 결정되는데, 상부 유전체 거울층(30)과 하부 유전체 거울층(31)은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고, 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성한다. 그리고 금속 거울층(32)은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성한다. 이에 따라서 100nm 이상의 광대역으로 발진 파장을 조절할 수 있게 된다.
At this time, the resonance distance is changed according to the distance of the
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 2에 도시된 광대역 파장조절 표면방출 레이저 구조의 상부 구조를 나타낸다. 2 illustrates a cross-sectional view of a broadband wavelength tunable surface emitting laser structure according to another embodiment of the present invention. Fig. 3 shows the superstructure of the broadband wavelength-tunable surface emitting laser structure shown in Fig.
본 실시 예에서는 반도체 기판(41) 위에 차례로 적층된 식각저항층(42)과 도핑된 반도체로 구성된 하부클래드층(43), 상기 하부클래드층(43) 상에 이득을 위한 이득층(44), 상기 이득층(44) 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부클래드층(45), 상기 상부클래드층(45) 상에 전류제한층(46), 상기 전류제한층(46) 상에 도핑된 반도체로 구성된 상부식각저항층(47), 상기 상부식각저항층(47) 상에 식각층(48), 상기 식각층(48) 상에 도핑된 반도체로 구성된 지지층(49)을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층(49) 상의 일부에 상부 유전체 거울층(51)을 형성하고, 상기 지지층(49)의 다른 상부에 전압인가를 위한 상부거울전극(52)을 형성하고, 상기 지지층(49), 식각층(48), 상부식각저항층(47), 전류 제한층(46), 상부클래드층(45), 이득층(44)의 일부를 식각한 후 전류 제한을 위한 전류 제한층(46)의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 절연물질을 채워넣은 절연층(50)을 형성하고, 상기 식각층(48)의 일부를 선택적으로 제거하여 상부식각저항층(47)과 지지층(49) 사이에 에어갭(55)을 형성하고, 반도체 기판(41)의 하부의 일부를 제거하고, 상기 식각저항층(42)을 연속적으로 제거한 후 하부 유전체 거울층(53)을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층(53)의 하부에 금속 거울층(54)을 형성한다. 그리고 상기 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 하부전극절연층(61)을 형성하고 상기의 하부클래드층(43) 위의 일부와 상기 하부전극절연층(61) 위의 일부에 하부전극(62)을 형성한다. 그리고 상기의 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 상부전극절연층(63)을 형성하고, 상기 상부식각저항층(47) 위의 일부와 상기 상부전극절연층(63) 위의 일부에 상부전극(64)을 형성한다. A gain layer 44 for gain is formed on the
상기 절연층(50)은 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하고, 상부 유전체 거울층(51)과 하부 유전체 거울층(53)은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성하고, 금속 거울층(54)은 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 형성하여 100nm 이상의 ㅅ스톱 밴드를 갖도록 구성한다.The upper
상부전극(64)과 하부전극(62) 사이에 전류를 인가하여 절연층(50)이 없는 영역으로 전류가 이득층(44)으로 흘러서 빛을 형성하고, 형성된 빛은 공진기 내부에서 공진(57; 화살표로 표시함)이 일어나서 레이저의 빛(58)이 방출되게 되며, 상부거울전극(52)과 상부전극(64) 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층(51)과 지지층(49)이 변위(56; 화살표로 표시함)하게 되어 에어갭(55) 거리가 변하여 공진거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되어 광대역 파장 조절 표면방출 레이저의 특성을 갖게 된다.
A current is applied between the
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예의 레이저 소자에서 하부 유전체 거울층(31,53)과 금속거울층(32,54)에 의한 반사율 특성을 기존 기술의 AlAs/GaAs, AlOx/GaAs DBR 거울층의 반사율과 비교한 것이다. 본 발명의 실시 예에서 하부 유전체 거울층(31,53)과 금속거울층(32,54)의 구조에서는 스톱 밴드가 230nm로 광대역의 반사 특성을 갖는 것을 나타낸다. AlAs/GaAs DBR 거울층의 경우 스톱 밴드가 80nm 정도로 광대역의 파장조절용 거울층으로 적합하지 않음을 알 수 있고, AlOx/GaAs DBR 거울층의 경우 가장 넓은 스톱 밴드 특성이 있으나 제작 공정이 복잡하고 스트레스에 의한 낮은 수율 특성이 있다.
4 is a graph showing the reflectance characteristics of the lower
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 상기 바람직한 실시 예를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.
InP 반도체 기판(41) 위에 식각저항층(42)으로서 Iny(AlxGa1 -x)1- yAs (0 < x, y < 1) 또는 InxGa1 - xAsyP1 -y (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 그 위에 하부 클래드층(43)으로 도핑된 InP 또는 InP에 거의 격자 정합된 구조로 도핑된 InxGa1 - xAsyP1 -y (0 < x, y < 1) 등으로 형성되어 있고, 하부클래드층(43) 상에는 Iny(AlxGa1 -x) 1-yAs/ Inz(AlwGa1 -w)1- zAs (0 < x, y, z, w < 1) 양자우물층으로 구성된 이득층(44)이 형성되어 있다. 이득층(44) 상에는 전류 확산 및 선택적 식각에서 보호를 위한 도핑된 InP 또는 InxGa1 - xAsyP1 -y (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 상부클래드층(45), 상부클래드층(45) 상에는 전류 제한 및 전류 인가와 선택적 식각을 위한 도핑된 Iny(AlxGa1 -x)1-yAs(0 < x, y < 1) 또는 InxGa1 - xAsyP1 -y (0 < x, y < 1)로 구성된 전류제한층(46), 전류제한층(46) 상에는 상부 전극 접촉 및 선택적 식각시 보호를 위해 도핑된 InP 또는 InxGa1 - xAsyP1 -y (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 상부식각저항층(47), 상기 상부식각저항층(47) 상에 Iny(AlxGa1 -x)1- yAs (0 < x, y < 1) 또는 InxGa1-xAsyP1-y (0 < x, y < 1) 등으로 형성된 식각층(48), 상기 식각층(48) 상에 도핑된 InP 또는 InxGa1 -xAsyP1-y (0 < x, y < 1) 등으로 구성된 지지층(49)을 순차적으로 형성하고, 상기 지지층(49) 상의 일부에 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성된 상부 유전체 거울층(51)을 형성하고, 지지층(49)의 다른 상부에 전압인가를 위한 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 상부거울전극(52)을 형성하고, 상기의 지지층(49), 식각층(48), 상부식각저항층(47), 전류 제한층(46), 상부클래드층(45), 이득층(44)의 일부를 식각한 후 전류 제한을 위한 전류 제한층(46)의 일부를 선택적 식각으로 식각한 후 식각된 부분은 AlOx 또는 AlNx 등의 절연층(50)으로 채워져 있거나 산화방법으로 형성된 AlOx 등의 산화막으로 절연물질을 채워넣은 절연층(50)을 형성하고, 식각층(48)의 일부를 인산이나 황산 또는 이들의 혼합물을 이용하여 선택적으로 제거하여 상부 식각저항층(47)과 지지층(49)의 사이에 에어갭(55)을 형성하고, 기판(41)의 하부의 일부를 제거하고, 식각저항층(42)을 연속적으로 제거한 후 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS 등과 같이 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기 정도가 이루어지도록 구성된 하부 유전체 거울층(53)을 형성하고, 상기 하부 유전체 거울층(53)의 하부에 Au, Al, Ag 등과 같은 금속을 증착하여 금속 거울층(54)을 형성한다. 그리고 상기 하부 클래드층(43)의 상의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx와 같은 하부전극절연층(61)을 형성하고 상기의 하부틀래드층(43)의 상의 일부와 상기 하부전극절연층(61) 상의 일부에 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 하부전극(62)을 형성한다. 그리고 상기의 하부 클래드층(43) 위의 일부에 절연을 위한 SiNx나 SiOx와 같은 상부전극절연층(63)을 형성하고, 상기의 상부식각저항층(47) 위의 일부와 상기 상부전극절연층(63) 위의 일부에 Ti/PT/Au, AuGe/Ni/Au, Ti/Au, Cr/Au 등으로 구성된 상부전극(64)을 형성한다. 상부전극(64)과 하부전극(62) 사이에 전류를 인가하여 절연층(50)이 없는 영역으로 전류가 이득층(44)으로 흘러서 빛을 생성하고, 생성된 빛은 공진기 내부에서 공진(57)이 일어나서 레이저의 빛(58)이 방출되게 되며, 상부거울전극(52)과 상부전극(64) 사이에 전압을 인가하여 상부 유전체 거울층(51)과 지지층(49)이 변위(56)하게 되어 에어갭(55) 거리가 변하여 공진 거리가 조절되어 발진 파장이 변하게 되어 광대역 파장 조절 표면방출 레이저의 특성을 갖게 된다.
On the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. In addition, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
21 : 반도체 기판 22 : 식각저항층
23 : 하부클래드층 24 : 이득층
25 : 상부클래드층 26 : 식각층
27 : 지지층 28 : 상부전극
29 : 상부거울전극 30 : 상부 유전체 거울층
31 : 하부 유전체 거울층 32 : 금속 거울층
33 : 에어갭 41 : 반도체 기판
42 : 식각저항층 43 : 하부클래드층
44 : 이득층 45 : 상부클래드층
46 : 전류제한층 47 : 상부식각저항층
48 : 식각층 49 : 지지층
50 : 절연층 51 : 상부 유전체 거울층
52 : 상부거울전극 53 : 하부 유전체 거울층
54 : 금속거울층 55 : 에어갭
56 : 지지층과 상부 유전체 거울층의 변위
57 : 빛의 공진 58 : 빛의 방출21: semiconductor substrate 22: etching resistant layer
23: lower clad layer 24: gain layer
25: upper clad layer 26:
27: support layer 28: upper electrode
29: upper mirror electrode 30: upper dielectric mirror layer
31: lower dielectric mirror layer 32: metal mirror layer
33: air gap 41: semiconductor substrate
42: etch resistant layer 43: lower clad layer
44: gain layer 45: upper cladding layer
46: current limiting layer 47: upper etching resistant layer
48: expression layer 49: support layer
50: insulating layer 51: upper dielectric mirror layer
52: upper mirror electrode 53: lower dielectric mirror layer
54: metal mirror layer 55: air gap
56: displacement of support layer and upper dielectric mirror layer
57: resonance of light 58: emission of light
Claims (11)
An upper cladding layer made of a semiconductor doped on the gain layer; a current confinement layer on the upper cladding layer; a current confinement layer on the lower cladding layer; An upper etching resistant layer made of a semiconductor doped on the upper layer, an etching layer on the upper etching resistance layer, and a supporting layer composed of a semiconductor doped on the etching layer are sequentially formed, and an upper dielectric mirror layer is formed on a part of the supporting layer An upper mirror electrode for applying a voltage to another upper portion of the supporting layer, etching a part of the supporting layer, the etching layer, the upper etching resistance layer, the current confining layer, the upper clad layer and the gain layer, A part of the confinement layer is selectively etched to form an insulating layer filled with an insulating material, and a part of the etching layer is selectively removed Forming an air gap between the upper etch stop layer and the support layer, removing a portion of the lower portion of the semiconductor substrate, continuously removing the etch stop layer, forming a lower dielectric mirror layer, Forming a metal mirror layer, forming a lower electrode insulating layer for insulation on a part of the lower clad layer, forming a lower electrode on a part of the lower clad layer and a part of the lower electrode insulating layer, Forming an upper electrode insulating layer for insulation on a part of the upper layer and forming an upper electrode on a part of the upper etching resistance layer and a part of the upper electrode insulating layer. A current is applied between the upper electrode and the lower electrode to cause current to flow into the gain layer without an insulating layer to form light, and the formed light resonates in the resonator to emit laser light, And the upper dielectric mirror layer and the supporting layer are displaced by applying a voltage between the upper dielectric layer and the upper electrode to change the air gap distance, and the resonance distance is adjusted to change the oscillation wavelength.
상기 절연층은 전류제한층을 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method according to claim 1,
Wherein the insulating layer is formed by selectively etching the current confined layer and then depositing AlOx or AlNx by ALD (atomic layer deposition).
상기 상부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고, 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method according to claim 1,
The upper dielectric mirror layer is made of a material having a large difference in dielectric constant including SiOx / SiNx, SiOx / TiOx, CaF2 / a-Si and CaF2 / ZnS, each having a thickness of 0.25x optical length (length divided by the refractive index at the center wavelength) Wherein the wavelength of the laser light is set so that two to seven periods are formed in one cycle.
상기 하부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7 주기가 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method according to claim 1,
The lower dielectric mirror layer is made of a material having a large difference in dielectric constant including SiOx / SiNx, SiOx / TiOx, CaF2 / a-Si and CaF2 / ZnS. Each of the lower dielectric mirror layers has a thickness of 0.25x (length divided by refractive index) Wherein the wavelength of the laser light is set to be 2 to 7 cycles in one cycle.
상기 금속 거울층은 Au, Al, Ag 중의 어느 하나를 증착하여 형성하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method according to claim 1,
Wherein the metal mirror layer is formed by depositing any one of Au, Al, and Ag.
As the etching resist layer on the InP semiconductor substrate In y (Al x Ga 1 -x ) 1- y As (0 <x, y <1) or In x Ga 1 - x As y P 1 -y (0 <x, y <1) is formed in a or the like, that the over-doped in the lattice-matched to InP or InP doped structure as the lower cladding layer in x Ga 1 - a x as y P 1 -y (0 <x, y <1) is formed, on the lower cladding layer of in y (Al x Ga 1 -x ) 1- y As / in z (Al w Ga 1 -w) 1-z As s (0 <x, y, z, w <1) both of the gain layer consisting of a well layer is formed, and doped on the gain of the InP layer or in x Ga 1 - consisting of x as y P 1 -y (0 <x, y <1) upper cladding layer, doped on the upper cladding layer in y (Al x Ga 1 -x ) 1-y As (0 <x, y <1) or in x Ga 1 - x As y P 1 -y (0 <x , y <1) current confined layer, a doped layer formed on the current limit of InP or in x Ga 1 consisting of - x as y P 1 -y (upper etching resist layer consisting of 0 <x, y <1) , the the etching of the upper resist layer (47) in y (Al x Ga 1 -x) 1- y As (0 <x, y <1) or In x Ga 1 - type layers formed of a x As y P 1 -y (0 <x, y <1), each layer of the formula the InP or in x Ga 1 doped to the phase-in x as y P 1 -y (0 <x, y <1) , and forming a support layer are sequentially configured, and forming a top dielectric mirror layer composed of a portion above the support layer Forming an upper mirror electrode for applying a voltage to another upper portion of the supporting layer, etching the supporting layer, the etching layer, the upper etching resistance layer, the current confining layer, the upper clad layer and the gain layer, A portion of the etching layer is selectively etched to form an air gap between the upper etching resistant layer and the supporting layer, A part of the lower part of the substrate is removed, the etching resistant layer is successively removed, A metal mirror layer is formed on the lower part of the lower dielectric mirror layer, a lower electrode insulating layer is formed of SiNx or SiOx for insulation on a part of the upper clad layer and a part of the upper clad layer Forming a lower electrode on a part of the lower electrode insulating layer, forming an upper electrode insulating layer of SiNx or SiOx for insulation on a part of an upper surface of the lower clad layer, And forming an upper electrode on a part of the layer. A current is applied between the upper electrode and the lower electrode to cause current to flow into the gain layer without an insulating layer to form light, and the formed light resonates in the resonator to emit laser light, And the upper dielectric mirror layer and the supporting layer are displaced by applying a voltage between the upper dielectric layer and the upper electrode to change the air gap distance, and the resonance distance is adjusted to change the oscillation wavelength.
상기 절연층은 전류제한층을 선택적 식각 후 ALD(atomic layer deposition)의 방법으로 AlOx나 AlNx를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method of claim 6,
Wherein the insulating layer is formed by selectively etching the current confined layer and then depositing AlOx or AlNx by ALD (atomic layer deposition).
상기 절연층은 전류제한층을 선택적 산화하는 방법으로 AlOx를 형성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method of claim 6,
Wherein the insulating layer forms AlOx by selective oxidation of the current confined layer.
상기 상부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method of claim 6,
The upper dielectric mirror layer is made of a material having a large difference in dielectric constant including SiOx / SiNx, SiOx / TiOx, CaF2 / a-Si and CaF2 / ZnS, each having a thickness of 0.25x optical length (length divided by the refractive index at the center wavelength) Wherein the wavelength of the laser light is set to be 2 to 7 cycles in one cycle.
상기 하부 유전체 거울층은 SiOx/SiNx, SiOx/TiOx, CaF2/a-Si, CaF2/ZnS를 포함하는 유전율의 차이가 큰 물질로 각각의 두께가 0.25x광학길이(중심파장을 굴절률로 나눈 길이)로 되도록 하고 구성되는 두 층이 한 주기로 하여 2~7주기가 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.
The method of claim 6,
The lower dielectric mirror layer is made of a material having a large difference in dielectric constant including SiOx / SiNx, SiOx / TiOx, CaF2 / a-Si and CaF2 / ZnS. Each of the lower dielectric mirror layers has a thickness of 0.25x (length divided by refractive index) Wherein the wavelength of the laser light is set to be 2 to 7 cycles in one cycle.
상기 금속 거울층은 Au, Al, Ag 중의 어느 하나를 증착하여서 된 것을 특징으로 하는 광대역 파장조절 표면방출 레이저.The method of claim 6,
Wherein the metal mirror layer is formed by depositing any one of Au, Al, and Ag.
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